微电网在太阳能光伏（SPV）能源整合到电力系统中发挥着关键作用，但传统微电网架构依赖多个电力转换器，导致系统体积增加、损耗增加和效率下降。本文提出了一种混合多输入、多输出单级功率转换系统，体积紧凑，能够同时实现直流和交流输出，同时集成双太阳能光伏电源。拟议的非隔离开关升压高增益拓扑显著减少了功率处理级数，并通过添加基于充电状态（SOC）控制器的电池储能单元提升可靠性。实现了四种不同的工作模式，以动态平衡光伏电源、电池和连接负载之间的功率。通过详细的理论分析、时域仿真和实时硬件环路（HIL）来验证系统操作。结果证实，在600 V下实现稳定的直流链路调节，三相交流输出控制良好，峰值为220 V，所有模式在50%负载变化下表现稳健。这些发现表明，所提架构为下一代微电网应用提供了高效、紧凑且可靠的解决方案。

简介

全球变暖引发的气候变化加速了可再生能源的使用。仅2024年，可再生能源装机容量就增长了50%。目前总装机容量为4448.1吉瓦，其中1600吉瓦仅由太阳能光伏（SPV）贡献。同样，全球累计电池储能容量达到约150 GW/363 GWh。这表明全球向可再生和可持续能源技术的重大转变[1]。此外，混合可再生能源系统在满足现代世界的能源需求方面日益重要。此类混合系统（独立/电网连接）利用可再生能源技术的进步，解决环境问题和传统能源枯竭的担忧。由于其经济性和可及性，SPV能源是一种有吸引力的可再生能源[2]，[3]，[4]。
由于电力变换器数量减少且能提升系统性能，混合变流器通常被微电网应用所要求。此外，混合系统还能实现不同的总线系统以满足电力需求。然而，传统的微电网架构，如图1所示，通常依赖于每个能源源的离散直流-直流变换器和多级直流-交流转换。多级转换系统存在显著缺点，包括可扩展性降低、多个MPPT控制器导致控制复杂度增加、导通和开关损耗累积，因此系统成本、体积和重量也更高[5]。基于变压器的常见拓扑进一步增加了体积，影响了经济和空间效率。然而，光伏系统面临间歇性、低效率和功率波动等挑战[6]， [7]。
混合转换器如多输入、多输出（MIMO）拓扑可以解决上述所有问题。因此，MIMO转换器因其能够同时集成多个SPV源和存储单元而备受关注。最大功率点跟踪（MPPT）技术及其他先进控制策略使这些系统实现了更好的能量管理、更低的转换损耗和更高效的系统设计。

多输入SPV系统相比单输入配置具有多项优势。在单输入SPV系统中，对辐照度波动的敏感性是主要限制之一。当发生部分遮蔽时，系统输出会显著下降。双输入配置动态调节功率流量，保持电压稳定性和整体功率输出。此外，这类系统还能实现更好的MPPT效率[8]。分布式电源流还减轻了单个元件的应力，最大限度地减少了热损耗和开关损耗。这反过来延长了转换器和存储设备的使用寿命。双输入系统在高峰负载时段提供更平稳的电流分布，从而减少电池和开关的瞬时压力。
在级联多电位系统中，多输入SPV系统配置也非常常见，如图2[9]所示。采用传统的准Z源逆变器（QZSI）进行集成，使系统体积较大但提升了功率质量[10]。[11]期刊的一项研究回顾了并网光伏系统的多电位逆变器拓扑结构，强调多电源的使用能提升功率质量，并降低总谐波失真（THD）。电力质量问题可以通过有效的控制策略解决，包括多重操作和电池备份，见[12]、[13]、[14]。利用嵌入式配置中功率变换器的结构变化，有效利用权能的利用方法在[15]、[16]中进行了探讨。然而，资源充分利用的问题仍未被揭露。
转换器拓扑结构中仍有若干限制存在。例如，为混合光伏和风电系统提出的多输入逆变器[17]具有多个转换阶段，这影响了系统的整体效率。[18]中的三开关多输入转换器改进了源集成，但电压增益有限制。组件数量也有所增加。类似地，[19]、[20]开发的三端口直流转换器包含电压倍增器，但由于漏电感等因素效率下降。高增益高级转换器拓扑在[21]、[22]、[23]中讨论，其中大多数基于单一光伏系统。基于ZETA和SEPIC的软切换转换器在[24]、[25]中讨论，引入了软切换技术以减少切换损耗，从而提高了效率。还提出了一种级联升压-降压拓扑结构，用于太阳能驱动的PMSM驱动，以提高电压调节，并通过多级转换提升了直流链路稳定性[26]。在交错升压变换器拓扑结构中，SPV系统中报告了更快的瞬态响应，这些拓扑结构也被用于[27]。这些方法很有用，但并未完全满足单级、紧凑且高效的架构需求，能够集成多个SPV输入与交流和直流输出。
在带有储能系统的SPV集成系统中也采用了几种有效的技术[28]。[29]讨论了诸如模糊逻辑系统等高级控制策略的控制方法，同时也使用了基于人工智能和机器学习的方法[30]。然而，对于模拟和原型制作，可再生能源设备所需的关键技术和经济数据均见于[31]。
现有大多数工作依赖多级转换器或仅限于单输入系统，最终限制了实用微电网应用中的可扩展性、可靠性和能量收集效率。光伏供电的全载准Z源逆变器（PV-FLQZSI）被引入为可再生能源系统的可行选择。它采用两个独立的光伏电源和独立的QZSI，提升了在不均匀阳光下的可靠性和功率提取能力。然而，添加组件会增加复杂度、成本和体积，使其不适合空间或预算有限的设置[32]。光伏系统的模块也用于多端口转换器的储能系统[33]、[34]。该系统有效利用多种能源，但由于使用多个变压器和更多模块化变流器，且有显著的仿制，由于变压器漏电感，整体效率降低。
为解决这些限制，本文提出了一种紧凑型、非隔离的单级多输入多输出（MIMO）变换器，能够同时集成双太阳能光伏源和电池储能单元，同时提供稳压直流和三相交流输出。与传统的多级或模块化架构不同，所提拓扑将高增益电压提升、源源协调和混合交流/直流电力传输嵌入统一的开关升压结构中。这种集成显著减少了元件数量和控制复杂度，同时在不同源负载条件下保持高电压增益、快速动态响应和高效率。

尽管在变换器拓扑结构、控制策略以及通过高效控制优化能源资源方面取得了显著进展，但此前尚无研究提出能够处理双光伏输入、与电池充电状态（SOC）协调并同时提供交流和直流输出的紧凑型单级MIMO转换器。本研究旨在填补这一重要空白。
为此，所提系统（如图3的框图所示）在单级拓扑中集成了两个SPV输入源和一个电池储能单元。表1、表2列出了该方法与现有文献新颖性的比较。该系统是下一代微电网的可行解决方案，显著提升了电力转换、电池备份和紧凑性，相较于传统系统。这些进展还有助于减少化石燃料的物质足迹和污染，支持向全球绿色能源的关键转型[35]。
所提控制策略以四种不同模式运行系统，每种模式均根据不同的能源可用性和负载条件进行调整。这些模式包括太阳能供电模式，即SPV能源直接为负载供电;混合模式，即SPV和电池电源共同为负载供能;仅电池模式，在太阳辐射低时启动;以及一种负载支持模式，旨在确保在波动负载需求下输出稳定。该系统整体贡献和优势可总结如下：

• （a）
  该系统将太阳能可再生能源集成为单级混合多输出系统，实现紧凑架构，减少组件数量和更低能耗。多输入系统集成了不同的负载需求，并由运行条件和光伏（SPV）可用性控制。
• （b）
  拟议系统包含电池备份，确保在可再生能源无法使用时持续供电，从而提升系统可靠性，通过全面控制可再生能源资源实现高效电力转换和利用，即使在无外部电源的时期也如此。
• （c）
  系统通过详细分析、仿真以及使用台风HIL实时模拟器的硬件环路（HIL）验证，展示了系统的实用性和有效性。